Tensiuni reziduale în sudare

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Tensiunile reziduale de sudare sunt câmpul de tensiune care rămâne într-un material după efectuarea operațiilor de sudare și toate sarcinile externe au fost îndepărtate. În realitate, aceste solicitări există chiar și după executarea unui braț , dar, având în vedere entitatea lor semnificativ mai mică decât cea legată de suduri, în general nu sunt luate în considerare.

Originea tensiunilor reziduale

În timpul operației de sudare , materialul este supus unui ciclu termic extrem de sever, care îl duce de la temperatura inițială la temperatura de topire și îl readuce la temperatura camerei într-un timp relativ scurt. În timpul încălzirii, materialul crește în volum și își schimbă forma datorită încălzirii diferite a diferitelor părți, cu toate acestea, atunci când temperatura scade, materialul nu mai este liber să își asume volumul inițial, deoarece este acum legat de cealaltă parte de pe pe care s-a efectuat sudarea și prin celelalte constrângeri externe impuse structurii de sudat. Tensiunile reziduale sunt cauzate și de prezența constrângerilor asupra pieselor de sudat, constrângeri care trebuie inserate pentru a preveni deformarea excesivă a structurii în timpul operațiilor de sudare (vezi foto). Acest fapt poate provoca probleme, deoarece constrângerile foarte hiperestatice tind să reducă deformările structurii după sudare, dar să mărească tensiunile reziduale, astfel încât proiectantul sudurii trebuie adesea să ajungă la un compromis între cele două nevoi diferite. Partea elastică a deformațiilor dispare odată cu revenirea structurii la temperatura ambiantă, în timp ce partea din plastic, neputându-se anula, generează o stare de solicitări , deci solicitări reziduale, în interiorul structurii. Gama de solicitări reziduale se extinde pe întreaga lungime a îmbinării și pe o lățime care depinde de geometria îmbinării și de procesul de sudare.

Principalii parametri care afectează tensiunile reziduale sunt:

Tensiunile reziduale nu sunt cauzate de sarcini externe (forțe sau momente), deci trebuie să fie echilibrate la nivel global, adică:

unde σ este tensiunea într-un punct, dA orice zonă infinitesimală din partea sudată și z distanța față de orice punct de referință.

Deformarea unei foi după sudare, în timpul sudării marginile foii nu au fost restricționate
Tensiuni termice în timpul sudării între două foi plate de oțel cu grosime egală

Figura din lateral arată tendințele eforturilor longitudinale σ x (unde x este axa sudurii și axa perpendiculară pe ea) în funcție de distanța de sudură în sine, în mod firesc se presupune că eforturile sunt simetric în raport cu axa x. În timpul sudării a două foi, situația stresului termic variază, inițial (punctul D), foaia nu este stresată, când piscina de sudură atinge punctul de interes (C) nu există tensiuni în metalul lichid, în timp ce piesele adiacente la baie sunt supuse unor solicitări de compresiune, care, îndepărtându-se de linia de sudare, scad până când semnul este inversat (tracțiune). Pe măsură ce materialul se răcește și se solidifică (B), tensiunile din cordonul de sudură cresc și își asumă valori pozitive (întindere), totuși acestea sunt limitate, atâta timp cât temperatura rămâne relativ ridicată, de tensiunea de curgere a materialului la curent. temperatura. Când procesul de răcire este terminat (A), tensiunea reziduală are o valoare semnificativ ridicată și este de tracțiune pe cordonul de sudură ( zona topită ) și de compresie începând de la o anumită distanță (evaluabilă pe baza parametrilor de sudare și a grosimii foaie), pentru a scădea apoi în valoare absolută asimptotic.

Tensiunile reziduale în direcția transversală a sudurii (σ y ) sunt în general mai mici decât tensiunile în direcția longitudinală (σX) și au o tendință general simetrică față de punctul mediu al sudurii, cu compresie la capete și tracțiune in centru. Aceste tensiuni sunt legate de condiții de constrângere transversală foarte severe. De obicei, nu este posibil să se găsească distribuții caracteristice, cum ar fi cele prezentate mai sus pentru solicitări longitudinale în oțeluri.

În câteva cazuri, solicitările în direcția grosimii sudurii (σ z ) prezintă un interes tehnic, în general, acestea prezintă interes doar în cazul grosimilor ridicate și al materialelor supuse unei fracturi fragile .

Măsurarea tensiunilor reziduale

Tensiunile reziduale sunt măsurate cu diferite metode, care distrug în general specimenul pe care se fac măsurătorile (teste distructive), metodele de testare nedistructive pentru tensiunile reziduale nu sunt încă suficient dezvoltate pentru a acoperi toate nevoile. Valorile gradientului de solicitare în apropierea sudurii pot fi de până la 140 GPa / m, astfel încât aceste măsurători necesită rezoluție spațială puternică și precizie de poziționare. AWS ( American Welding Society ) clasifică tehnicile de măsurare în trei domenii:

  • Detensionare, adică măsurarea deformarea structurii cu electrice sau mecanice de transductoarele odată ce tensiunile au fost aduse înapoi la zero într - un anumit volum.
  • Difracție, pot fi utilizate atât razele X, cât și neutronii , ceea ce este relevant este că lungimea de undă a agentului de detectare este apropiată de distanța rețelei materialului.
  • Măsurați cu metode acustice sau magnetice
  • Generarea fisurilor atât cu introducerea probei sudate într-o atmosferă de hidrogen , cât și cu efecte de coroziune sub stres.

Relaxarea la stres

Când un corp este descărcat, chiar dacă a suferit astfel de solicitări în timpul fazei de încărcare, încât să-l aducă în câmpul plastic , deformările în timpul descărcării sunt elastice, deci este posibil să se măsoare starea inițială de solicitare prin măsurarea deformării (elastice) obținut după descărcare fără a fi nevoie să evalueze mai întâi istoricul de încărcare al corpului. Cu aceste metode (de distrugere) de măsurare corpul este tăiat în bucăți sau părțile stresate ale corpului sunt îndepărtate, deformarea este măsurată cu aparate de măsurare a tensiunii sau cu sisteme de zăbrele sau cu vopsele fragile. Aceste metode se bazează pe diferite moduri de a elimina volumul din corpul stresat.

Cea mai simplă metodă, presupunând că starea de stres este biaxială, este aplicarea a 3 tensimetre (în general la 60 ° sau 45 ° între ele) pe o suprafață plană suficient de îngustă încât, odată îndepărtată din partea sudată, să poată să se considere că starea de solicitare este nulă. La tăierea suprafeței din structură, aparatele de măsurare a tensiunii vor prezenta două tulpini de deplasare (ε x și ε y ) și o deformare de deformare (γ xy ). Din aceste deformări, cunoscând caracteristicile elastice ale materialului, presupus a fi izotrop și omogen (E și ν), este posibil să se obțină starea de stres (σ x , σ y și τ xy ). Prin efectuarea măsurătorilor pe ambele fețe ale unei foi, este posibilă urmărirea stării de îndoire a foii în sine.

Alte metode presupun amplasarea aparatelor de presiune pe suprafața sudată și realizarea găurilor (metoda Mathar-Soete) sau a canelurilor (metoda Gunnert) în apropierea aparatelor de măsură, măsurând astfel relaxarea stării de tensiune.

Difracţie

Difracția măsoară în mod direct starea de deformare locală a rețelei cristaline a materialului sudat, deoarece permite compararea distanțelor rețelei atomilor într-un eșantion total fără tensiune cu cele ale eșantionului sudat. Din starea de deformare locală și din caracteristicile mecanice și elastice ale materialului de bază este posibilă trasarea stării de solicitare prezentă în material. Această metodologie are avantajul față de metoda de relaxare a stresului de a fi nedistructivă, totuși nu este în general aplicabilă structurilor mari, în special difracția neutronică (care oferă cele mai fiabile rezultate), care necesită o sursă de neutroni de intensitate mare (deci un reactor nuclear ) nu poate fi aplicat pe scară largă.

Razele X sau neutronii sunt inițial diferiți de o probă fără solicitări interne (în general, aceste probe sunt obținute fie din pulbere din materialul de bază, fie din cuburi mici tratate termic), apoi se fac să se difracteze de proba în care sunt tensiunile reziduale, obținând în ambele cazuri măsurători ale distanțelor atomice din rețea, din diferența dintre aceste valori este posibilă trasarea stării de solicitare din specimen, cunoscând valorile tensor de elasticitate al materialului. Dacă starea de stres este biaxială, sunt necesare cel puțin trei măsurători cu unghiuri de incidență diferite. În această tehnică, măsurarea temperaturilor la care se efectuează cele două teste este de o importanță deosebită, deoarece o variație a temperaturii modifică parametrii rețelei materialelor.

Difractometria cu raze X (lungimea de undă 0,05-0,23 nm) permite măsurarea eforturilor de pe suprafața produsului sudat (adâncimea de ordinul a 10 μM) și poate fi folosită și pe teren, pentru a avea posibilitatea de a măsura eforturile în corpul artefactului este necesar să-l disecăm (prin urmare devine o tehnică distructivă).

În schimb, difractometria neutronică permite măsurarea tensiunilor din corpul produsului (adâncimea maximă de la 20 mm pentru aliajele de W până la 300 mm pentru aliajele de Al ), dar, din motivele deja indicate, nu poate fi utilizat în camp. Un avantaj al măsurătorilor de difracție a neutronilor este posibilitatea de a măsura și stările de tensiune triaxială, prin rotirea adecvată a detectorului în raport cu punctul în care se efectuează măsurarea.

Metode acustice și magnetice

Metodele acustice se bazează pe diferența de viteză a undelor acustice din materiale în funcție de parametrii rețelei, în general sunt utilizate unde ultrasunete de suprafață (2-10 MHz). Faptul că măsurarea trebuie efectuată în mod necesar pe un volum destul de mare implică faptul că rezultatul nu poate fi precis, dar oferă media tensiunilor (sau deformărilor) de pe volumul examinat. În plus, această metodă necesită o calibrare foarte precisă cu blocuri de probă care sunt cât mai similare posibil materialului care urmează să fie examinat chiar și la nivel microstructural .

Metodele magnetice se aplică numai materialelor feroase sau aliajelor de nichel, adică materialelor care prezintă variații ale permeabilității magnetice în funcție de starea de stres. În mod similar măsurătorilor cu unde acustice, aceste măsurători sunt puternic influențate de microstructura materialului și permit o analiză a stării de solicitare doar pe suprafața structurii.

Generarea fisurilor

Aceste tehnici permit doar evaluări calitative (nu cantitative ) ale stării de deformare a produsului. Fisurile sunt generate în general prin plasarea materialului într-o atmosferă de hidrogen (în acest caz trebuie să fie din oțel feritic) sau prin generarea de fisuri datorate coroziunii sub solicitare ( coroziune la solicitare ), metodă utilizată în general pentru oțelurile austenitice și aliajele de nichel. Avantajul acestei metode constă în faptul că este posibil să se efectueze evaluări chiar și pe geometrii de sudură foarte complexe.

Efectele tensiunilor reziduale

Tensiunile reziduale nu au niciun efect asupra eșecului din cauza sarcinilor impuse, atâta timp cât materialul este suficient de ductil, deoarece o creștere locală a tensiunii dincolo de punctul de producție provoacă o deformare locală care redistribuie sarcina în sine. Pe de altă parte, în alte situații, solicitările reziduale, care se adaugă la solicitările cauzate de sarcinile de pe structură, pot crește riscul unei prăbușiri a structurii în sine.

De obicei, tensiunile reziduale au efecte negative asupra următoarelor fenomene:

  • Materiale în condiții de a putea suferi ruperea din cauza fracturii fragile
  • Structuri supuse instabilității euleriană
  • Structuri supuse unor sarcini obositoare
  • Materiale supuse fisurilor sub stres

Fractură fragilă

Prin fractură fragilă (sau fractură instabilă) se înțelege fractura datorată propagării fisurilor în condiții geometrice particulare (prezența crestăturilor ) și cu sarcini localizate care aduc (K I ) o valoare mai mare decât valoarea critică a materialului. Unul dintre primele puncte care a devenit evident atunci când a început studiul fenomenelor de fractură ( 1921 [1] ) a fost că, în prezența sudurilor, tensiunile cauzate de sarcinile externe care au dus la prăbușirea structurii ar putea fi semnificativ mai mici decât cele obținute experimental cu exemplare sculptate.

Dacă capătul fisurii se află într-o regiune în care sunt prezente tensiuni reziduale la tensiune, tensiunile reziduale se adaugă la tensiunile provocate de sarcinile externe și tensiunile maxime cauzate de vârful fisurii și, atunci când temperatura este mai mică decât tranziția ductil-fragilă. temperatura , ducând la o propagare instabilă a fisurilor pentru sarcini mai mici decât cele care ar avea loc într-un eșantion nesoldat.

Sarcini obositoare

Efectul asupra sarcinilor obositoare este de așa natură încât numărul de cicluri care duc la prăbușirea unui specimen sudat tinde să crească în zonele în care tensiunile reziduale sunt compresive, în timp ce tinde să scadă în zonele în care există tensiuni reziduale la tracțiune. De multe ori este recomandabil să îndepărtați stocul pentru a reduce solicitările de la suprafață, zona din care provin, în general, fisuri care, crescând în dimensiune, duc la fracturi din cauza oboselii.

Instabilitate elastică

Prezența tensiunilor de compresiune reziduale poate duce la o reducere a încărcăturilor care duc la prăbușire datorită instabilității euleriană , în special pe structuri subțiri (coloane cu diametru mic sau foi subțiri). Având în vedere natura eforturilor reziduale din sudare, care sunt parțial compresive și parțial întinse, nu este posibil să se dea o regulă generală care să țină seama de efectele lor asupra acestui fenomen.

Fisuri sub stres

În unele materiale și în special în aliajele de nichel este posibil ca substanțele agresive specific (de exemplu ioni Cl - pentru oțeluri inoxidabile austenitice) să atace materialul dintre boabele metalice ( coroziune intergranulară ), în special în prezența unei stări de stres. Din aceste atacuri de-a lungul marginii boabelor, se formează fisuri deosebit de insidioase, deoarece sunt extrem de subțiri (fisuri de coroziune sub tensiune - SCC - fisuri de coroziune la tensiune ). În prezența stresului rezidual, posibilitatea unor atacuri similare este mult îmbunătățită, atât de mult încât pot apărea chiar și fără prezența unei cauze externe de stres.

Având în vedere tendința tensiunilor reziduale, fisurile cauzate de acest câmp de tensiune sunt longitudinale în zona modificată termic (HAZ), în timp ce fisurile transversale își au originea în general în metalul de bază, deși se pot extinde și în HAZ.

Reducerea tensiunilor reziduale

Având în vedere că solicitările reziduale pot fi deseori dăunătoare stabilității structurii, atunci când se proiectează o structură sudată este necesar să se studieze metodele de reducere a acestora atât în ​​timpul sudării, cât și după sudare.

Indiferent de toate celelalte măsuri de precauție, primul lucru de luat în considerare, chiar în faza de proiectare a sudării, este să vă asigurați că constrângeți piesele care trebuie sudate în așa fel încât să alimenteze contracția , adică astfel încât să fie contracția în sine, care apare atunci când materialul se solidifică, aducând structura la geometria dorită. Desigur, acest lucru nu este întotdeauna posibil, ținând cont și de toleranțele cerute de produs odată finalizat.

Studiul secvenței de sudare

În general, un studiu precis al secvențelor de sudare poate permite reducerea (niciodată eliminarea totală) a tensiunilor reziduale. De exemplu, dacă trebuie să sudați pe întreaga circumferință a unei țevi cu diametru mare, indicată cu numerele de la 1 la 4 (în ordine), cadranele circumferinței, este recomandabil să sudați cu secvența: 1,3,2 , 4, pentru a evita sudarea succesivă a două cadrane (constrângând astfel 180 ° de circumferință).

Pase multiple

Efectuarea unui anumit număr de treceri de intrare cu căldură scăzută (deci cu un volum mai mic de depunere) în loc de o singură trecere de intrare de căldură ridicată reduce tensiunile reziduale. Cu toate acestea, în cazul trecerilor multiple, este necesar să se ia măsurile de precauție adecvate în timpul primei treceri, deoarece în timpul răcirii, prima treaptă are secțiunea minimă în întreaga sudură, prin urmare, în ea există concentrația maximă de linii de solicitare.

Tratamente după sudare

Tratamentele termice după sudare (PWHT), aducând materialul la temperaturi ridicate, reduc eforturile reziduale la valoarea efortului de cedare a materialului la temperatura maximă de tratament. De fapt, solicitările reziduale, fiind solicitări datorate unei deformări împiedicate, sunt limitate de solicitarea de curgere, care, prin redistribuirea fluxului materialului, împiedică o creștere suplimentară a stării de solicitare.

Dacă nu este posibil (de exemplu, din cauza dimensiunilor produsului) să se efectueze un PWHT total, poate fi utilă încălzirea localizată (contracție la cald) pe suprafața mai alungită, ceea ce, aducându-l de la o temperatură ridicată (600-800 ° C pentru oțelul feritic) permite trasarea acestei suprafețe, datorită efectelor elastice ale suprafeței opuse.

Notă

  1. ^ AA Griffith. Fenomenele de rupere și curgere în solide . Transacțiunile filozofice ale Societății Regale din Londra (1921)

Bibliografie

  • De către AWS (American Welding Society) . Manual de sudare - Vol 1 (Știința și tehnologia sudării) . Publicat ediția a 9-a AWS (2001). ISBN 0-87171-657-7
  • Michele Murgia . Originea tensiunilor reziduale în sudare, metode tradiționale de măsurare, măsuri de precauție și remedii . pe revista italiană de sudură nr. 1/2007 pag. 23-39 - ianuarie-februarie 2007

Elemente conexe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Solecitations_residue_in_saldatura&oldid=104173864 ”